设计并仿真- 3.3V与5V电压变换和PWM转电压和电压到电流的变换

1. 本文目的

最近学习了LCEDA,发现了其中的仿真功能。正好手上有小项目需要进行模拟电路的几个工作进行一下测试。
本文分为3个项目：

3.3V到5V电压双向变换
PWM转电压
电压到电流的变换

首先讲解原理，再绘制电路，最后给出仿真结果。

2. 3.3V与5V电压变换

2.1 原理

当你使用3.3V的单片机的时候,电平转换就在所难免了,经常会遇到3.3转5V或者5V转3.3V的情况,这里介绍一个简单的电路,转载自一种简单实用的双向电平转换电路(非常实用!)3.3V–5V 可以实现两个电平的相互转换(注意是相互双向的,不是单向的!).电路十分简单,仅由3个电阻加一个MOS管构成,电路图如下,VCC_2 < VCC_1:

2.2 仿真

在LCEDA中对电路进行仿真，信号加在3v3, 输出产生5V方波，仿真图如图2-2,仿真结果如图2-3：

信号加在5V 输出产生3V3方波，仿真图如图2-4,仿真结果如图2-5：

3. PWM转电压

3.1 原理

现在的常用的MCU是没有DA输出的，通常使用一个IO 产生PWM波，代替模拟输出，只要设计个简单的滤波电路，就可以将PWM信号转化为模拟量信号。网上的资料也很多，这里选用一个二阶压控有源低通滤波器。如图3-1所示。

低通滤波频率公式为：f=1/(2π*RC).
滤波电路后端是一个运算放大器，放大倍数公式：A=1+Rf/R1。选择A=1.1。又因为R1//Rf=2R（R1，Rf两者并联的值等于R串联值），最终：Rf=220欧，R1=2.2k，R=1k。

低通滤波电路前面是一个二阶积分电路（将两个电容都接地），R=1K，C=10uf。将两个一阶积分电路串联构成二阶积分电路。

3.2 仿真

在LCEDA中对电路进行仿真，信号加在输入端用一个小时钟 1k 代替信号源，因为信号源无法设置偏置，会产生负电压。这里小时钟输出产生5V方波，仿真图如图3-2,仿真结果如图3-3：

PWM频率1kHz，即周期1ms。 RC时间常数1千欧乘以10uF等于10ms。RC时间常数是PWM周期的10倍。如果允许，这里RC时间常数应该 >> PWM周期。

仿真结果看出在1K的输入频率下，在100ms 能达到比较稳定的模拟电压输出，此时是2.5V.

4. 电压到电流的变换

4.1 第一个比较常见的经典并仿真成功的电路

转载自电压转电流电路
将电压控制信号转换为电流信号。从网上搜寻到，据说此电路是一论坛笔者师兄设计的，曾在多个项目中使用，稳定可靠。书生曾用 Saber 对此电路进行动态仿真，转换曲线十分平滑，线性度非常好。电路元件少，易采购，线路简洁，具有较高的使用价值。

电路原型如4-1示。

对该图用进行修改，添加的输出的三极管。用LCEDA软件的仿真进行绘图并仿真。

图中 Vin 为电压输入端，节点 b 为电流输出端，RL是模拟负载。

量程更换为 0-10V，只要将R12更换为500,如图示.

电路分析：下面的LM358N 为电压跟随器，Vb = V7
.
虚断：

由下面一条反馈支路得到： Vb - V3 = V3 - Vin ,从而 Vb= 2*V3 - Vin —(1)
由上面的反馈支路得到：Va - V2 = V2 , 从而 Va = 2*V2 —(2)

虚短：

V2 = V3, 所以 Va= 2*V3 —(3)

b点的节点电流方程：

I=Vb/RL = (Va-Vb)/R12+(V3-Vb)/R11

将(1) (2) 代入 (3) 得到：

I=Vin/R12+(Vin-V3)/R11

因为 R11>>R12, 忽略后一项，得到 I=Vin/R12.

4.2 第二个信工的电压转电流方案

来自于一个很老的工程师信老的方案。2006年就出现了。

电路图如图4-4

实际应用时,可以在0~5V输入端并一只10K电阻,可以解决输出不可调整的问题.

电路仿真如图4-5所示。

零点调整电位器上端至电源间的100K电阻换51K即.
运放增益A＝-(Vo/Vi=RF/Ri=1/5=30K/150K=0.2)
运放的　输入端：－V＝＋V＝20V
vi=5 vo=1 Ec=24
-V=[(Ec-Vi-Vo)/(RF+Ri)]xRi+Vi=(18/180K)x150K+5=20V
所以＋V的分压电位器调节到 +V = 20V
图中运放UA741和150kΩ电阻30kΩ电阻组成反相放大电路，增益为-0.2倍。

0~5V的输入电压经过反相放大器后在运放输出变化幅度1V的输出，

由于虚短和虚断列方程如下：

 (20-Vin) / R14 = (Va - 20)/R17   (1)(24-Va) / R19 = (Va - 20)/R17 + IL (2) 代入部分参数得：
(20-Vin) / 150 = (Va - 20)/30  (24-Va) / R19 = (Va - 20)/30 + IL

按照网络上的数据
当输入0 ，输出 Va = 23.75 不太可能实际仿真结果是 23.973V
当输入5 ，输出 Va = 22.75 不太可能实际仿真结果是 23.427V

结论：这个电路仿真不成功。也许实物可运行，这里不再测试了。

4.3 经典的恒流源方案

转载自电压电流转换电路

输出4~20mA电流的时候。最简单简陋的电流输出电路，是用“三级管+放大器”构成的。这篇文章说的插详细了，就不再分析，只是做了最后的仿真。
未修改前的简化电路及其仿真结果如图示。

电路分析：

由于虚短和虚断，运放 V- V+ 相等，且等于R22 处电压
即三极管射极电压 Ue
Io=Ue/R22
所以放大转换的公式为 Io/Uin = 1/R22 = 0.1 A/V
即输入变化1V 输出变化 0.1A .

修改后的电路及其仿真结果如图示。

这里的电路，就不再分析了。

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